一种利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统

摘要

本发明公开了一种利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统，包括蓄热容器及使惰性液态油相物质在蓄热容器中循环的惰性液态油相循环系统，所述蓄热容器中装有无机相变材料与水的混合物、惰性液态油相物质，所述惰性液态油相物质覆盖在无机相变材料与水的混合物的上方，所述蓄热容器中间设有换热器；所述惰性液态油相循环系统中设有惰性液态油相循环泵、油分布器喷头、循环油相入口及循环油相出口。所述系统，提高了无机相变蓄热系统换热效率、循环稳定性，同时解决无机相变材料在蓄释热过程相分离的问题；降低相变蓄热系统对无机相变材料要求，拓宽了对无机相变材料的选择性，也利于降低相变材料的成本，提高蓄热系统的使用寿命。

权利要求

1.一种利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统，其特征在于，包括蓄热容器及使惰性液态油相物质在蓄热容器中循环的惰性液态油相循环系统，所述蓄热容器中装有无机相变材料与水的混合物、惰性液态油相物质，所述惰性液态油相物质覆盖在无机相变材料与水的混合物的上方，所述蓄热容器中间设有换热器；所述惰性液态油相循环系统中设有惰性液态油相循环泵、油分布器喷头、循环油相入口及循环油相出口；所述无机相变材料的相变温度为30～120℃，所述蓄热容器上部设有过滤网，所述过滤网设于所述油相中的下方，所述过滤网设于所述油水界面的上方。

2.如权利要求1所述的利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统，其特征在于，所述循环油相入口设于所述过滤网的上方，所述循环油相出口设于所述蓄热容器的下部。

3.如权利要求1所述的利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统，其特征在于，所述油分布器喷头设于所述蓄热容器的下部，所述油分布器喷头与所述循环油相出口相连。

4.如权利要求1所述的利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统，其特征在于，所述换热器为盘管式换热器、翅片管式换热器中的一种。

5.如权利要求1所述的利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统，其特征在于，所述换热器通过管道与外部加热锅炉和用热末端连接。

说明书

一种利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无机相变蓄热的换热的系统，尤其是一种利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统。

背景技术

[0002] 能源是现代社会赖以生存和发展的基础，能源互联网作为推动我国能源革命的重要战略支撑，对适应可再生能源规模化发展、提升能源开发利用效率、推动能源市场开放和产业升级、提升能源国际合作水平等具有重要意义。

[0003] 发展以分布式和可再生能源互联互通为本质的能源互联网将是大势所趋，而储能技术正好为能源互联网提供了一种行之有效的实施手段。储能在需求响应、辅助服务、售电侧等环节都将有广阔的应用前景。能源互联网在现有的配电网基础上，通过先进的电力、电子和信息技术，融合了大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置，从而实现能量和信息流互联互通，降低成本。储能系统应用于传统能源系统中可以改变能源的生产、输送、使用同步完成的模式，将解决产能和用能在时间上和空间上不匹配的问题。在储能技术商业化应用方面，有关相变蓄热材料与系统的研发正在成为其中不可忽视的分支。

[0004] 目前大量工作的思路是增大换热面积，完善蓄热容器换热均匀性，如采用波纹管，增加翅片或肋板等。如专利CN204901909U公开的一种室内相变蓄热供暖系统，相变蓄热器采用的内环肋式翅片换热管，强化蓄热过程的热量传递。但是单纯增大换热面积，提高蓄热容器换热均匀性势必要增加蓄热容器复杂性，提高制造成本，也减少无机水合物相变蓄热材料的装填量。

[0005] 由于固体无机水合盐在附着不过避免，有一些部分思路是通过加入高导热的材料，如石墨，金属纤维，泡沫金属等增加固体相变材料的导热系数，以此降低换热热阻，提高换热效率。专利CN106242494A公开的石墨烯气凝胶复合强化中低温相变蓄热材料及其制备方法，利用石墨烯气凝胶高导热率的特性来提高蓄热换热效率。但是引入高导热材料会因材料密度与相变材料密度的差异，而导致分相，特别是经过多次蓄释热循环，换热效率将大大下降。

[0006] 通过机械扰动强化传热比较常规的方法，但是固-液相变蓄热材料的相变特点，使传统的搅拌器搅拌强化传热方式难于实现，如专利CN103913087A公开的一种减少相分离的无机相变蓄热装置，采用搅拌器搅拌减少无机相变材料的相分离，同时提高传热效率，但是在材料固态需蓄热时，搅拌器将无法运作。因此有必要对传统石蜡相变蓄热的强化换热方式进行进一步改进。

发明内容

[0007] 基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统。

[0008] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统，包括蓄热容器及使惰性液态油相物质在蓄热容器中循环的惰性液态油相循环系统，所述蓄热容器中装有无机相变材料与水的混合物、惰性液态油相物质，所述惰性液态油相物质覆盖在无机相变材料与水的混合物的上方，所述蓄热容器中间设有换热器；所述惰性液态油相循环系统中设有惰性液态油相循环泵、油分布器喷头、循环油相入口及循环油相出口。

[0009] 本发明所述系统的工作过程为：惰性液态油相物质从循环油相入口进入油相循环系统，经过惰性液态油相循环泵加压输送到循环油相出口，通过油相分布器再进入蓄热容器，所述的惰性液态油相物质，由于密度比水和中低温无机相变材料小，可自动从蓄热容器底部上升顶部，并与水分相，通过过滤网把惰性液体油相物质与固态的中低温无机相变材料分离开，然后通过循环油相入口再进入惰性液态油相循环系统。

[0010] 采用本发明可以提高蓄热换热效率，同时减少蓄热容器和换热装置的设计复杂程度。由于无机相变材料普遍存在过冷度大，容易产生相分离，影响蓄热的循环稳定性，采用本发明的惰性液态油物质的循环扰动，辅以过量水，可弥补相变材料的相分离问题，提高蓄热系统的稳定性。采用本发明所述系统，利用油水两相强化中低温无机相变蓄热的换热的方法，可以有效地解决了中低温无机相变蓄热的换热效率低的问题。在蓄热时，无机相变材料由固体转变为液体，但是该液体的粘度普遍较大(相比于水)，加入大量的水虽然可以降低粘度，但单位体积蓄热密度减小，同时由于静止无扰动状态下，粘稠的液体自然对流换热系数较低，所以换热效率也较低。加入惰性液体油相物质循环扰动，提高对流换热系数，换热效率的提高，也就是蓄热效率提高；在释热时，无机相变材料很容易在换热器表面粘附，这直接导致热阻增大，特别在静止无扰动的情况下，释热热流速度大大减小，换热效率大大下降。引入惰性液体油相物质扰动，在与过量水共同作用下，减少固态的无机相变材料在换热器上的粘附，提高释热过程的换热效率。

[0011] 本发明利用惰性液态油相物质在中低温(0～120℃)蓄热条件下，与水和无机相变材料不发生化学反应，且与水不相容分层的性质，采用惰性液态油相物质与过量的水共同作用，通过惰性油相循环泵，把惰性液态油相物质泵送到蓄热容器底部，由于惰性液态油相物质密度比水和无机相变材料溶液小，惰性液态油相物质上升至蓄热容器顶部，通过油水分层和过滤网，把惰性液态油相物质重新泵送到蓄热容器底部，从而实现惰性液态油相物质在蓄热容器内的循环。这种循环有利于提高蓄热系统中换热器的换热效率，即提高无机相变材料蓄热系统的换热效率；同时也可减少无机相变材料在换热器中的附着，减小换热热阻，提高了释热的品位；由于换热器热媒与无机相变材料不直接接触，避免了无机相变材料对用热末端设备的腐蚀，提高蓄热系统的使用寿命。

[0012] 优选地，所述无机相变材料的相变温度为30～120℃。

[0013] 所述的惰性液态油相物质，在中低温0～120℃之间，与水和所用无机相变材料都不发生化学反应的，表现为化学惰性的液体，密度比水小，且与水不相容，混合静置后容易产生分层，浮于水相之上，其起两个作用：(a)通过油相循环，加速液态无机相变材料和过量水流动，提高换热效率；(b)减少无机相变材料在换热器上的附着，降低换热热阻。

[0014] 优选地，所述蓄热容器上部设有过滤网，所述过滤网设于所述油相中的下方，所述过滤网设于所述油水界面的上方。用于惰性液体油相物质与固态无相变材料的分离，防止油相循环系统的堵塞。

[0015] 优选地，所述循环油相入口设于所述过滤网的上方，所述循环油相出口设于所述蓄热容器的下部。

[0016] 优选地，所述油分布器喷头设于所述蓄热容器的下部，所述油分布器喷头与所述循环油相出口相连。所述油相循环系统的惰性液体油相分布器，使惰性液体油相物质可以均匀地分布在蓄热容器各处，使蓄热容器内部的无机相变材料和水得到均匀地扰动。

[0017] 本发明中所述惰性液态油相循环系统中的惰性油相循环泵为蓄热容器中的惰性液态油相提供循环动力。

[0018] 优选地，所述换热器为盘管式换热器、翅片管式换热器中的一种。

[0019] 优选地，所述换热器通过管道与外部加热锅炉和用热末端连接，热媒可以是水或油。

[0020] 本发明所述一种利用油水两相强化无机相变材料蓄热的换热系统中的水，主要起着三个作用：

[0021] (a)过量的水可以减少无机相变材料产生相分离现象，提高无机相变材料循环可逆的稳定性；

[0022] (b)过量的水可以降低液态无机相变材料的粘度，提高惰性液体油相物质循环扰动的强度，提高换热效率；

[0023] (c)过量水使无机相变材料凝固后仍存在大量孔洞，使得惰性液体油相物质可顺利上升至蓄热容器顶部，防止惰性液体油相物质滞留在固态无机相变材料的孔洞与缝隙中，从而影响惰性液体油相物质的循环。

[0024] 相对于现有技术，本发明的有益效果为：

[0025] 1、可减少中低温无机相变蓄热系统中的换热器的复杂程度，降低换热器的制造成本；

[0026] 2、加入惰性液态油相物质的扰动，解决无机相变材料在蓄释热过程相分离的问题，提高无机相变蓄热系统的循环稳定性；

[0027] 3、降低相变蓄热系统对无机相变材料要求，使其不需要经过过多改性就达到蓄热要求，拓宽了对无机相变材料的选择性，也利于降低相变材料的成本；

[0028] 4、由于换热器热媒与无机相变材料不直接接触，避免了无机相变材料对用热末端设备的腐蚀，提高蓄热系统的使用寿命；

[0029] 5、该方法操作简便，利于大规模无机相变蓄热应用。

[0030] 此外，本发明基于能源高效利用和节能，环保，减排大导向，面向新型节能技术运用的行业需求，以中低温高密度的蓄热工程为最终目标。在满足居民采暖，农业大棚保温，工业中低温干燥等用途，实现对能源进行有效的时间分配，从而实现电力“削峰填谷”，有效地利用电能，提高经济效益。

附图说明

[0031] 图1为本发明所述利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统的一种结构图；

[0032] 图2为本发明所述利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统的一种结构图；

[0033] 其中，1、换热器；2、无机相变材料与水的混合物；3、惰性液态油相物质；4、循环油相入口；5、过滤网；6、蓄热容器；7、惰性液态油相循环泵；8、循环油相出口；9、油相分布器喷头；10、加热锅炉；11、加热器；12、水；13、供热末端；14、补水管；31、32为水泵；41、循环系统阀门；42、43、44、45、46、47、48、49、50为热媒水的阀门。

具体实施方式

[0034] 为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

[0035] 实施例1

[0036] 本发明所述利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统的一种实施例，本实施例所述利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统的结构图如图1所示：

[0037] 包括蓄热容器6及使惰性液态油相物质在蓄热容器6中循环的惰性液态油相循环系统，蓄热容器6装有无机相变材料与水的混合物2、惰性液态油相物质3，蓄热容器6的惰性液态油相物质3覆盖在无机相变材料与水的混合物2的上方；蓄热容器6中间设有换热器1，换热器为盘管式换热器、翅片管式换热器中的一种；所述惰性液态油相循环系统中设有惰性液态油相循环泵7、循环油相出口8及循环油相入口4、油相分布器喷头9；蓄热容器6上部设有过滤网5，过滤网5设于所述油相下方、油水界面的上方；循环油相入口4设于过滤网5的上方，循环油相出口8设于蓄热容器6的下部，循环油相出口8与油相分布器喷头9相连；所述惰性液态油相循环系统设有循环系统阀门41；换热器1通过管道与外部加热锅炉10或用热末端13连接(详见附图2)，所述无机相变材料为Na2SO4·10H2O，所述无机相变材料的相变温度为32.4℃，所述惰性液态油相物质为石蜡油。

[0038] 加入过量水使得相变材料完全固态化后，保留一定量的流动态的液体；再加入一定量的石蜡油，使得循环油相入口4保持在油相中。

[0039] 实施例2

[0040] 本发明所述利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统的一种实施例，本实施例所述利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统的结构图如图1所示：本实施例中无机相变材料为Na2HPO4·12H2O，无机相变材料的相变温度为40℃，所述惰性油相物质为正庚烷，其他结构均与实施例1中相同。

[0041] 实施例3

[0042] 结合附图2，详细说明本发明所述利用利用油水两相强化无机相变蓄热的换热的系统的具体工作原理及过程：

[0043] (1)当蓄热系统处于蓄热状态时

[0044] 油相循环系统：油相循环泵7运作，阀门41开启，惰性液态油相物质3从惰性液态油相入口4进入油相循环系统，经过油相循环泵7加压输送到惰性液态油相出口8，通过惰性液态油相分布器9再进入蓄热容器，惰性液态油相物质3由于密度比水和中低温无机相变材料小，可自动从蓄热容器6底部上升顶部，通过过滤网5把惰性液态油相物质3与中低温无机相变材料和水2分离开，然后通过惰性液体油相入口4再进入油相循环系统；从而达到利用油水两相强化换热的目的。

[0045] 热媒水循环系统：加热锅炉10中的加热器11运作，对热媒水12进行加热，水泵31运作，加热后的热媒水经过阀门44、43，水泵31，到达蓄热容器6中的换热器1，再经过阀门50、42回到加热锅炉10。

[0046] 如果单一进行蓄热时，水泵32不运作，阀门45、46、48、49为关闭状态，而阀门44、43、50、42为开启状态；如果蓄热与供热同时进行时，水泵31，32运作，蓄热循环阀门44、43、
50、42开启，供热循环中阀门45、48开启，阀门46、49为关闭状态，热媒水从加热锅炉10中经水泵32，阀门45，进入供热末端13，再由阀门48、42回到加热锅炉10中。

[0047] (2)当蓄热系统处于放热状态时

[0048] 油相循环系统与蓄热时运行一致；

[0049] 热媒水循环系统：水泵31运作，水泵32关闭，热媒水经水泵31加压进入蓄热容器6中的换热器1，再把热输送出去，经过阀门50、49，进入供热末端，把热交换出去后，经过阀门46、43，水泵31，再进入换热器1，阀门42、44、45、48为关闭状态。

[0050] (3)当蓄热系统处于保温状态，而加热锅炉处于供热状态时

[0051] 油相循环系统：惰性液态油相循环泵7不运作，阀门41关闭。

[0052] 热媒水循环系统：加热锅炉10中的加热器11运作，水泵32开启，热媒水从加热锅炉10经水泵32，阀门45，进入供热末端，把热交换出去后，经阀门48、42回到加热锅炉10，而水泵31不运作，阀门43、44、46、49、50处于关闭状态。

[0053] 最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。